architecture

1. 1
Chapitre 8 : L’architecture de base des
ordinateurs
• Introduction
• Architecture de base d’une machine
• La Mémoire Centrale
• UAL ( unité arithmétique et logique )
• UC ( unité de contrôle ou de commande )
• Jeu d’instructions , Format et codage d’une instruction
• Modes d’adressage
• Étapes d’exécution d’un instruction

2. 2
Objectifs
• Comprendre l’architecture d’une machine von newman.
• Comprendre les étapes de déroulement de l’exécution d’une
instruction.
• Comprendre le principe des différents modes d’adressage.

3. 1. Introduction
• Un programme est un ensemble d’instructions exécutées dans
un ordre bien déterminé.
• Un programme est exécuté par un processeur ( machine ).
• Un programme est généralement écrit dans un langage évolué
(Pascal, C, VB, Java, etc.).
• Les instructions qui constituent un programme peuvent être
classifiées en 4 catégories :
– Les Instructions d’affectations : permet de faire le transfert
des données
– Les instructions arithmétiques et logiques.
– Les Instructions de branchement ( conditionnelle et
inconditionnelle )
– Les Instructions d’entrées sorties.

4. 4
1. Introduction
• Pour exécuter un programme par une machine, on passe par les étapes
suivantes :
1. Édition : on utilise généralement un éditeur de texte pour écrire un
programme et le sauvegarder dans un fichier.
2. Compilation : un compilateur est un programme qui convertit le code
source ( programme écrit dans un langage donné ) en un programme
écrit dans un langage machine ( binaire ). Une instruction en langage
évolué peut être traduite en plusieurs instructions machine.
3. Chargement : charger le programme en langage machine dans
mémoire afin de l’exécuter .

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• Comment s’exécute un programme dans la machine ?
• Pour comprendre le mécanisme d’exécution d’un programme  il
faut comprendre le mécanisme de l’exécution d’une instruction .
• Pour comprendre le mécanisme de l’exécution d’une instruction  il
faut connaître l’architecture de la machine ( processeur ) sur la
quelle va s’exécuter cette instruction.

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2. Architecture matérielle d’une machine
( architecture de Von Neumann )
L’architecture de Von Neumann est composée :
• D’une mémoire centrale,
• D’une unité centrale UC , CPU (Central Processing Unit), processeur ,
microprocesseur.
•D’un ensemble de dispositifs d’entrées sorties pour communiquer avec
l’extérieur.
•Cette architecture est la base des architectures des ordinateurs.
Mémoire
Centrale
UC
Processeur
entrées
sorties

7. 7
2.1 La mémoire centrale
• La mémoire centrale (MC) représente l’espace de travail de l’ordinateur .
• C’est l’organe principal de rangement des informations utilisées par le
processeur.
• Dans un ordinateur pour exécuter un programme il faut le charger ( copier )
dans la mémoire centrale .
• Le temps d’accès à la mémoire centrale et sa capacité sont deux éléments
qui influent sur le temps d’exécution d’un programme ( performances
d’une machine ).

8. 8
0001100
0011100
0111100
0001100
0001100
0000
0001
0002
…….
…….
……..
FFFF
Une adresse
Contenu d’une case
(un mot)mémoire
•La mémoire centrale peut être vu comme
un large vecteur ( tableau ) de mots ou
octets.
•Un mot mémoire stocke une information
sur n bits.
•Chaque mot possède sa propre adresse.
•La mémoire peut contenir des
programmes et les données utilisées par
les programmes.

9. Structure d’un programme en MC
Partie données
( variables )
Partie instructions
………….
……….
}
11100001
11100001
11000001
11100001
11000001
11110000
1111111
1000000
0000000
Addition
Soustraction

10. 10
2.2 L’Unité Centrale ( UC)
• L’unité centrale (appelée aussi processeur , microprocesseur) à
pour rôle d’exécuter les programmes.
• L’UC est composée d’une unité arithmétique et logique (UAL) et
d’une unité de contrôle.
- L’unité arithmétique et logique réalise les opérations
élémentaires (addition, soustraction, multiplication, . . .) .
- L’unité de commande contrôle les opérations sur la mémoire
(lecture/écriture) et les opérations à réaliser par l’UAL selon
l’instruction en cours d’exécution.

11. Architecture matérielle d’une
machine Von Neumann
UC

12. 12
2.2.1 L’UAL
• L’unité arithmétique et logique réalise une opération élémentaire
(addition, ,soustraction, multiplication, . . .).
• L’UAL regroupe les circuits qui assurent les fonctions logiques et
arithmétiques de bases ( ET,OU,ADD,SUS,…..).
• L’UAL comporte un registre accumulateur ( ACC ) : c’est un registre
de travail qui sert a stocker un opérande (données )au début d’une
opération et le résultat à la fin.

13. 13
• L’UAL comporte aussi un registre d’état : Ce registre nous indique
l’état du déroulement de l’opération .
• Ce registre est composé d’un ensemble de bits. Ces bits s’appels
indicateurs (drapeaux ou flags).
• Ces indicateurs sont mis à jours ( modifiés )après la fin de l’exécution
d’une opération dans l’UAL.
• Les principeaux indicateurs sont :
– Retenue : ce bit est mis à 1 si l’opération génère une retenue.
– Signe :ce bit est mis à 1 si l’opération génère un résultat négative.
– Débordement :ce bit est mis à 1 s’il y a un débordement.
– Zero : ce bit est mis à 1 si le résultat de l’opération est nul.

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Schéma d’une UAL

15. 15
2.2.2 Unité de contrôle
• Le rôle de l'unité de contrôle (ou unité de commande ) est de :
– coordonner le travail de toutes les autres unités ( UAL ,
mémoire,…. )
– et d'assurer la synchronisation de l'ensemble.
• Elle assure :
– la recherche ( lecture ) de l’instruction et des données à partir de
la mémoire,
– le décodage de l’instruction et l’exécution de l’instruction en
cours
– et prépare l’instruction suivante.

16. 16
• L’unité de contrôle comporte :
– Un registre instruction (RI) : contient l’instruction en cours
d’exécution. Chaque instruction est décoder selon sont code
opération grâce à un décodeur.
– Un registre qui s’appel compteur ordinal (CO) ou le compteur de
programme (CP ) : contient l’adresse de la prochaine instruction
à exécuter (pointe vers la prochaine instruction à exécuter ).
Initialement il contient l’adresse de le première instruction du
programme à exécuter.
– Un séquenceur : il organise ( synchronise ) l’exécution des
instruction selon le rythme de l’horloge, il génère les signaux
nécessaires pour exécuter une instruction.

17. 17
Schéma d’une UC

18. 18
Schéma détaillé d’une machine
UC

19. 19
Remarque
• Le microprocesseur peut contenir d’autres registres autre que
CO,RI et ACC.
• Ces registres sont considérés comme une mémoire interne (
registre de travail ) du microprocesseur.
• Ces registres sont plus rapide que la mémoire centrale , mais le
nombre de ces registre est limité.
• Généralement ces registres sont utilisés pour sauvegarder les
données avant d’exécuter une opération.
• Généralement la taille d’un registre de travail est égale à la taille
d’un mot mémoire

20. 20
Une machine avec des registres de travail
registres

21. 21
3.Jeu d’instructions
• Chaque microprocesseur possède un certain nombre limité d’instructions
qu’il peut exécuter. Ces instructions s’appelles jeu d’instructions.
• Le jeu d’instructions décrit l’ensemble des opérations élémentaires que le
microprocesseur peut exécuter.
• Les instructions peuvent être classifiées en 4 catégories :
– Instruction d’affectation : elle permet de faire le transfert des données
entre les registres et la mémoire
• Écriture : registre  mémoire
• Lecture : mémoire  registre
– Les instructions arithmétiques et logiques ( ET , OU , ADD,….)
– Instructions de branchement ( conditionnelle et inconditionnelle )
– Instructions d’entrées sorties.

22. 22
3.1 Codage d’une instruction
• Les instructions et leurs opérandes ( données ) sont stocké dans la
mémoire.
• La taille d’une instruction ( nombre de bits nécessaires pour la représenter
en mémoire ) dépend du type de l’instruction et du type de l’opérande.
• L’instruction est découpée en deux parties :
– Code opération ( code instruction ) : un code sur N bits qui indique
quelle instruction.
– La champs opérande : qui contient la donnée ou la référence ( adresse
) à la donnée.
Code opération Opérande
•Le format d’une instruction peut ne pas être le même pour toutes les
instructions.
•Le champs opérande peut être découpé à sont tours en plusieurs champs
N bits K bits

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Machine à 3 adresses
• Dans ce type de machine pour chaque instruction il faut préciser :
– l’adresse du premier opérande
– du deuxième opérande
– et l’emplacement du résultat
Code opération Opérande1 Opérande2 Résultat
Exemple :
ADD A,B,C ( CB+C )
•Dans ce type de machine la taille de l’instruction est grand .
• Pratiquement il n’existent pas de machine de ce type.

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Machine à 2 adresses
• Dans de type de machine pour chaque instruction il faut préciser :
– l’adresse du premier opérande
– du deuxième opérande ,
• l’adresse de résultat est implicitement l’adresse du deuxième
opérande .
Code opération Opérande1 Opérande2
Exemple :
ADD A,B ( BA +B )

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Machine à 1 adresses
• Dans de type de machine pour chaque instruction il faut préciser
uniquement l’adresse du deuxième opérande.
• Le premier opérande existe dans le registre accumulateur.
• Le résultat est mis dans le registre accumulateur.
Code opération Opérande2
Exemple :
ADD A ( ACC(ACC) + A )
Ce type de machine est le plus utilisé.

26. 26
4. Mode d’adressage
• La champs opérande contient la donnée ou la référence ( adresse )
à la donnée.
• Le mode d’adressage définit la manière dont le microprocesseur va
accéder à l’opérande.
• Le code opération de l’instruction comportent un ensemble de bits
pour indiquer le mode d’adressage.
• Les modes d’adressage les plus utilités sont :
– Immédiat
– Direct
– Indirect
– Indexé
– relatif

27. 27
4.1 Adressage immédiat
• L’opérande existent dans le champs adresse de l’instruction
Code opération Opérande
Exemple :
ADD 150
Cette commande va avoir l’effet suivant : ACC(ACC)+ 150
Si le registre accumulateur contient la valeur 200 alors
après l’exécution son contenu sera égale à 350
ADD 150

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4.2 Adressage direct
• Le champs opérande de l’instruction contient l’adresse de l’opérande (
emplacement en mémoire )
• Pour réaliser l’opération il faut le récupérer ( lire ) l’opérande à partir
de la mémoire. ACC  (ACC)+ (ADR)
ADD 150
30
Exemple :
On suppose que l’accumulateur
continent la valeur 20 .
A la fin de l’exécution nous
allons avoir la valeur 50 ( 20 +
30 ) 150

29. 29
4.3 Adressage indirect
• La champs adresse contient l’adresse de
l’adresse de l’opérande.
• Pour réaliser l’opération il faut :
– Récupérer l’adresse de l’opérande à partir de la
mémoire.
– Par la suite il faut chercher l’opérande à partir
de la mémoire.
ACC (ACC)+ ((ADR))
• Exemple :
• Initialement l’accumulateur contient la valeur
20
• Il faut récupérer l’adresse de l’adresse (150).
• Récupérer l’adresse de l’opérande à partir de
l’adresse 150 ( la valeur 200 )
• Récupérer la valeur de l’opérande à partir de
l’adresse 200 ( la valeur 40 )
Additionner la valeur 40 avec le contenu de
l’accumulateur (20) et nous allons avoir la
valeur 60
ADD 150
200
40
150
200

30. 30
4.4 Adressage indexé
• L’adresse effectif de l’opérande est relatif à une zone mémoire.
• L’dresse de cette zone se trouve dans un registre spécial ( registre
indexe ).
• Adresse opérande = ADR + (X)
ADD 150
30
50
Registre d’indexe
+
Remarque : si ADR ne contient pas une valeur
immédiate alors
Adresse opérande = (ADR )+ (X)
200

31. 31
4.5 Adressage relatif
• L’adresse effectif de l’opérande est relatif a une zone mémoire.
• L’dresse de cette zone se trouve dans un registre spécial ( registre de base ).
• Ce mode d’adressage est utilisée pour les instructions de branchement.
Adresse = ADR + (base)
BR 150
ADD
100
Registre de base
+
250

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5. Cycle d’exécution d’une instruction
• Le traitement d’une instruction est décomposé en trois phases :
– Phase 1 : rechercher l’instruction à traiter et décodage
– Phase 2 : rechercher de l’opérande et exécution de l’instruction
– Phase 3 : passer à l’instruction suivante
• Chaque phase comporte un certain nombre d’opérations
élémentaires ( microcommandes ) exécutées dans un ordre bien
précis ( elle sont générées par le séquenceur ).
• La phase 1 et 3 ne change pas pour l’ensemble des instructions ,
par contre la phase 2 change selon l’instruction et le mode
d’adressage

33. 33
• Exemple1 : déroulement de l’instruction d’addition en mode immédiat
ACC(ACC)+ Valeur
– Phase 1 : ( rechercher l’instruction à traiter )
• Mettre le contenu du CO dans le registre RAM RAM (CO)
• Commande de lecture à partir de la mémoire
• Transfert du contenu du RIM dans le registre RI RI (RIM)
• Analyse et décodage
– Phase 2 : (traitement )
• Transfert de l ’opérande dans l’UAL UAL  (RI).ADR
• Commande de l’exécution de l’opération ( addition )
– Phase 3 : ( passer à l’instruction suivante )
• CO  (CO )+ 1

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• Exemple 2 : déroulement de l’instruction d’addition en mode direct
ACC(ACC)+ (ADR)
– Phase 1 : ( rechercher l’instruction à traiter )
• Mettre le contenu du CO dans le registre RAM RAM (CO)
• Commande de lecture à partir de la mémoire
• Transfert du contenu du RIM dans le registre RI RI (RIM)
• Analyse et décodage
– Phase 2 : ( décodage et traitement )
• Transfert de l’adresse de l ’opérande dans le RAM RAM (RI).ADR
• Commande de lecture
• Transfert du contenu du RIM vers l’UAL UAL (RIM)
• Commande de l’exécution de l’opération ( addition )
– Phase 3 : ( passer à l’instruction suivante )
• CO  (CO )+ 1

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• Exemple 3 : Déroulement de l’instruction d’addition en mode indirect
ACC(ACC)+ ((ADR))
– Phase 1 : ( rechercher l’instruction à traiter )
• Mettre le contenu du CO dans le registre RAM RAM (CO)
• Commande de lecture à partir de la mémoire
• Transfert du contenu du RIM dans le registre RI RI (RIM)
• Analyse et décodage
– Phase 2 : ( décodage et traitement )
• Transfert de l’adresse de l ’opérande dans le RAM  (RI).ADR
• Commande de lecture /* récupérer l’adresse */
• Transfert du contenu du RIM vers le RAM RAM(RIM)
• Commande de lecture /* récupérer l’opérande */
• Transfert du contenu du RIM vers l’UAL UAL  (RIM )
• Commande de l’exécution de l’opération ( addition )
– Phase 3 : ( passer à l’instruction suivante )
• CO  (CO )+ 1